视频压缩技术

视频压缩技术

1．多编码模式的自适应选择

由于视频信息的内容千变万化，很难用一种固定的模型进行描述。有人为此进行过大量的尝试都失败了，有人甚至认为“视频压缩”不是一门科学。其实视频信息的规律就是多变，一幅图像内容可能是平坦的，也可能是多细节的；可能是静止的，也可能是运动的；而且同一幅图像中各个部分可能又是极不相同的。针对这种复杂情况，为了保证压缩质量，唯一的办法是把图像分成许多大小不同的块，对各个块按不同内容自适应地采取不同的编码模式。

在Ｈ．261，Ｈ．263，ＭＰＥＧ－1，ＭＰＥＧ－4中，把图像分成8×8或16×16的方块，然后对各个方块视其内容分成帧内、帧间、跳帧等不同编码模式。在Ｈ．264中，则更进一步细化成4×4方块，从而编码模式更能适应于内

容的变化，如帧间编码用INTER表示，帧内编码用INTRA表示，跳帧用ＳＫＩＰ表示。

在Ｈ．264中采用了以下多种编码模式。

（1）帧内编码

帧内编码有INTRA－4×4，INTRA－16×16，INTRA－ＰＣＭ，ＳＫＩＰ等。在帧内编码中，采用空间域的预测，INTRA－4×4中视内容不同又可进一步分成利用邻近像素的垂直预测、水平预测等9种预测模式，INTRA－16×16则用于平坦区，INTRA－ＰＣＭ则采用直接传送像素不进行预测，以上共有12种不同编

码模式。

（2）帧间编码

帧间编码有INTER－16×16，INTER－16×8，INTER－8×16，INTER－8×8，还有INTER－8×8的子模式，即INTER－8×8，INTER－8×4 ，INTER－4×8，INTER－4×4等8种。

（3）帧编码和场编码自适应方式选择

对于运动量较小的，则帧编码时邻行之间空间相关性大，故采用帧编码；对于运动量大的，则场编码邻行间的时间相关性大，故采用场编码。由于一帧中有一部分内容运动量大，有一部分内容运动量小，则又可在帧编码中进一步分成图像自适应帧场（PAFF）和宏块自适应帧场（ＭＢＡＦＦ）等共三种模式。

如此众多的编码模式，根据内容的运动状况、细节等不同，采用自适应选择方式，视频质量显然可提高，但计算量也很大。

2．多种预测精度

（1）1／4象素精度的预测

过去，只采用整像素或1／2像素的精度进行预测，在Ｈ．264中可采用1／4像素精度进行预测。众所周知，预测精度越高，则压缩比越高。Ｈ．264中曾建议用1／8像素精度预测，后来停止使用的原因是太高的精度使编码复杂度增加，但压缩比增加不多。

（2）多参考帧选择

过去，在Ｈ．261等标准中，运动补偿时只选用前一帧作参考帧。为了进一步提高预测精度，Ｈ．264中可选用多至前后5帧的多参考帧（见图1）。

3．熵编码自适应技术

视频信息（或残差信息）经变换、量化后，利用熵编码可进一步压缩码率。以往在熵编码时由于只采用一张固定的码表，无法适应视频信息本身的统计特性，因此压缩比不高。

在Ｈ．264中采用了两种自适应的熵编码：上下文自适应变长编码（ＣＡＶＬＣ）和上下文自适应二进制算术编码（ＣＡＢＡＣ），它们都利用待编码视频信息邻近已编码像素的统计特性，因而码率压缩比（编码效率）进一步提高，而后者编码效率更高，但计算更复杂些。

4．Ｒ－Ｄ优化技术

由信息论可知，在一定失真Ｄ下，传输码率有一个最小值Ｒ，这时，

如传送更低码率，其失真必大于Ｄ，也就是说Ｒ与Ｄ之间有一个优化的问题。我们的任务是在一定的传输码率Ｒ的限制下要求失真最小，即视频质量最好（见图2）。

仔细分析发现，这个问题十分复杂，牵涉到视频编码中一系列问题，首先是选择编码模式。如上所述，编码模式的种类很多，随着视频内容不同而不同。其次还有编码参数的选择，如多种量化节距（量化步长）、多种变换方式（ＤＣＴ、小波变换……）、多种熵编码方法等。

最近发展了一种利用拉格兰其的Ｒ－Ｄ优化算法，其大体步骤如下（以帧间编码为例）：

·找出以Ｒ－Ｄ优化为目标的运动矢量ｍｉ（这和以往的按当前宏块与参考宏块之间误差最小的目标是不同的）；

其中，M为可能的编码模式集合，其失真项为：

其中，ｓ，ｓ＇分别为当前块和参考块，Ａｉ，ｘ，ｙ分别为当前块及其中的像素值，λＭＯＴＩＯＮ为选择运动矢量的拉格兰其常数。

上述公式，可选出Ｒ－Ｄ优化时的运动矢量ｍｉ。

·选择编码参数量化值Ｑ（在编码模式已自适应选择时），利用拉格兰其方法实现Ｒ一定条件下，失真Ｄ最小，具体说是拉格兰其代价函数ＪＭＯＤＥ最小。

·通过调整Ｑ值，计算出ＤＲＥＣ和RREC，最后得到ＪＭＯＤＥ最小值，于是得到Ｒ－Ｄ最优时的Ｑ值。

由以上可见，其计算量是相当大的。

5．视频信号的去方块后处理

为了提高视频质量，从根本上说，应使接收者的人眼在视觉上享受到一种高质量的图像。因此，现在发展一种解码环路的去方块滤波器，

它既能滤去由于编码造成的人为的方块效应，又能保留原图像中应有的细节、边缘等。

综上可见，目前的视频压缩编码技术已有了重大进展，在同样码率下，利用以上新的编码技术，相对于Ｈ．263或ＭＰＥＧ－4可使码率降低一半，或者说同样码率下，峰值信噪比约有 2 ｄＢ的提高，其代价是复杂度高（即计算量大）。由于高速DSP技术也有了重大进展，这类复杂度的问题应该说是可以解决的，当然对其编码方法的优化仍有不少工作需做。